锈损冷弯薄壁卷边槽钢短柱受压承载力试验研究

2021-04-21徐吉民幸坤涛高向宇徐善华郭小华

工程力学 2021年4期

徐吉民，幸坤涛，高向宇，徐善华，郭小华，聂彪

(1. 中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088；2. 北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，北京 100124；3. 西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055)

锈损将降低钢材的物理性能，进而导致钢结构承载性能的退化[1-2]，严重时将影响结构整体安全性。虽然工程中多采用防护、构造及维修等措施避免钢材锈蚀，但研究发现处于腐蚀环境下的钢结构仍存在严重的锈损问题[3]。冷弯薄壁型钢作为一种轻质高强且易于工业化规模化生产的新型型材，已在各类大跨结构、轻型钢结构建筑中得到广泛应用[4]。但由于其较薄的壁厚，冷弯薄壁型钢构件对锈损的敏感性更高，锈损冷弯薄壁型钢构件的安全隐患也更大。

目前针对常规锈损钢构件的研究已取得较多成果。邱斌[5]发现H 型钢翼缘的锈蚀较腹板锈蚀对构件的偏心承载力影响更大，且构件偏心承载能力与受压翼缘锈蚀率呈线性递减关系；文献[6]通过试验发现H 型钢翼缘或腹板厚度越小，承载力越低，挠度值越大。而对于冷弯薄壁型钢受压承载性能的研究多针对轴压构件[7-13]，对于偏压构件承载性能的研究相对较少。文献[14]通过试验与有限元分析，探讨了构件长度、偏心距等因素对构件承载力的影响并提出了冷弯薄壁型钢绕强轴偏压构件的极限承载力计算方法；文献[15]通过偏压试验研究了3 种复杂卷边槽钢的极限承载力、失稳模式及变形特征等特性；文献[16]采用有限元软件分析了不同卷边弯起角度及偏心距对冷弯薄壁型钢偏心受压构件承载力、破坏模式等性能的影响。但目前尚无针对锈损冷弯薄壁型钢构件受压承载性能的相关研究。

为研究锈损对冷弯薄壁型钢短柱受压承载力的影响，本文设计加工了12 个锈损试件(6 个轴压、6 个绕强轴偏压)，通过板材拉伸试验，分析材料性能与锈蚀程度间的关系；通过承载力试验与有限元软件研究轴压及偏压工况下锈损试件的破坏模式、极限承载力及变形特征等特性。

1 试验概况

1.1 试件设计

于某工业厂房中选取不同锈损程度的冷弯薄壁卷边槽钢型材，型材尺寸规格为C160×60×20×2.5 mm，并按试验所需加工成短柱试件。参照美国结构稳定研究委员会(SSRC)的建议[17]，试件长度取为500 mm。为减小误差及满足加载要求，所有试件两端均焊接封头板，其尺寸为200 mm×100 mm，厚度为10 mm。试验前采用游标卡尺分别测量了试件两端及中央高度处的尺寸，并取三次测量值的平均值为试件的实际尺寸。偏心受压试件主要研究局部屈曲与畸变屈曲耦合作用现象，采用绕强轴偏心加载方式。各试件实测尺寸如表1 所示，表中各尺寸参数含义如图1 所示。其中AC-e0-1 表示编号为1 的轴压试件，EC-e40-3 表示编号为3 的绕强轴偏压试件，偏心距为40 mm。

表 1 试件实测尺寸Table 1 Measured size of specimens

图 1 截面形式与尺寸参数定义Fig.1 Cross section and definition of dimensions

1.2 材料性能

试件所选型材均由Q345 级冷轧钢板加工制成，但不同的锈损程度将引起试件材料属性的差异，加工制作每个试件对应的标准板状试样并通过拉伸试验确定其材料性能，标准试样的规格、拉伸试验方法均符合《金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法》(GB/T 228.1-2010)[18]的规定。试样除锈后采用超声波测厚仪测量标距段内等间距5 个截面的厚度，各截面均取5 个测点，然后对各截面厚度取均值，并将5 个截面均值中的最小值定义为最小厚度tmin，并按式(1)计算试样最薄截面处的平均厚度损失率(锈蚀率)，t0表示试样原始厚度(取2.5 mm)。具体试验结果见表2。

表 2 材性试验结果Table 2 Mechanical properties of material property

根据表2 的数据，建立锈损试件材料拉伸性能退化模型，如图2 所示，各力学参数与最薄截面处平均厚度损失率之间的关系式如式(2)～式(5)所示。式中，fy0、fu0、E0、 δ0分别为未锈损试件拉伸试样的屈服强度、抗拉强度、弹性模量及伸长率。由表2 及图2 可以看出，试件拉伸试样的屈服强度、抗拉强度、弹性模量及伸长率均随最薄截面处平均厚度损失率的增大呈线性下降。

1.3 初始几何缺陷

图 2 力学性能与厚度损失率关系Fig.2 Relationship between mechanical properties and thickness loss rate

已有的研究成果表明，冷弯薄壁卷边槽钢试件的初始缺陷对其承载力有较大影响[19]，故采用文献[20]中的方法对各试件局部初始缺陷和整体初始缺陷进行细致的测量。测量前首先将试件表面锈蚀产物打磨干净并以纵向50 mm、横向30 mm为间隔划分网格线，然后以网格线交点作为量测点进行初始缺陷的测量。截面测量部位如图3 所示，其中： Δw为腹板的局部初始缺陷；Δf,1、Δf,2为翼缘的局部初始缺陷；Δd,1、Δd,2为翼缘与卷边交线处的畸变初始缺陷；Δfw,1～Δfw,4为腹板与翼缘交线处的整体初始缺陷。为抵消整体初始缺陷对试件整体扭转的影响，分别取Δfw,1与Δfw,2的平均值 Δx，Δfw,3与Δfw,4的平均值 Δy作为绕试件弱轴及强轴的整体初始缺陷最终结果[21]。表3列出了各试件初始缺陷的最大值，缺陷值以外凸变形为正，内凹变形为负。

Δf, 1 Δf, 2 Δfw, 1 Δfw, 2 Δfw, 4Δd, 2 Δd, 1 Δfw, 3 Δw x y x y

图 3 初始缺陷测点位置Fig.3 Measurement positions of initial imperfections

表 3 试件初始缺陷最大值Table 3 Maximum initial imperfection measurements

由量测结果可以看出，初始缺陷沿试件纵向无显著的变化规律，翼缘与卷边交线处的畸变初始缺陷大于局部、整体初始缺陷。

此外，采用超声波测厚仪测量各网格线交点处的试件厚度(每个截面取11 个测点，腹板5 个测点，两侧翼缘各2 个测点、两侧卷边各1 个测点)，然后对各截面厚度取均值，将最小均值定义为试件的最小厚度tmin，并按式(1)计算最薄截面处的平均厚度损失率(锈蚀率) η。

1.4 测点布置

将主要应变、位移测量点布置于中央高度截面，该处应变片在试件内外侧成对布置，如图4(a)所示；为反映试件可能发生的局部屈曲变形，在试件中央高度上下间隔100 mm 处成对增设4 组应变片，如图4(c)所示。为反映试件的整体弯曲变形，在侧向位移计6 对应的部位上下增设4 个位移计，同时在上下封头板对应的试件形心处布置2 个轴向位移计以量测试件过程中发生的轴向位移值。试验所测得应变、位移值与承载力均通过静态电阻应变仪进行采集。

图 4 试件测点布置 /mm Fig.4 Arrangement of testing points

1.5 加载方案

试验采用YEW-5000 型微机控制电液伺服压力试验机进行加载，为便于确定试件的形心及设定的偏心距位置，试件两端通过单向刀口铰与压力机的上顶板、下底板连接。安装试件时首先将试件置于下方刀口铰上并对中，然后调节压力机上顶板使得上刀口铰与试件刚好接触，两端找平后进行物理对中(图5)。物理对中的方法为：首先在试件上标出形心或偏心轴位置并与上下刀口重合，然后加载至0.15 倍～0.3 倍预估极限荷载值，如中央高度截面处的角部应变差值小于15%，则认为物理对中满足要求。对中后，开始逐级加载，各级加载不超过预计极限荷载的5%，每级加载后持荷1 min～2 min，当试件出现明显屈曲或达到预计极限荷载的80%时，将后续荷载增量值减半直至承载力不再增大，之后继续记录试件卸载阶段的数据，当荷载降至70%极限荷载时，试验结束。

图 5 刀口铰与试件安装Fig.5 Knife-edge hinge and installation of specimen

2 试验过程与现象

2.1 轴压试件

未锈损试件首先在初始缺陷较大的部位产生局部屈曲，随着荷载的逐渐增大，腹板沿试件纵向出现连续的局部屈曲半波，由于端部的约束作用，试件两端的半波长小于试件中间部位。临近极限荷载时，试件柱底以上200 mm 处腹板的局部屈曲半波幅值快速增大，试件整体出现轻微的弯曲变形，而其余部位的屈曲半波幅值则变小或消失。这是由于变形集中于屈曲最大的部位，而且当试件出现轻微弯曲后其余屈曲部位的应力逐渐释放产生了变形回弹。试验过程中局部屈曲现象仅出现在腹板、腹板与翼缘交线区域，其余翼缘及卷边无明显的屈曲现象，未锈损试件破坏形态如图6(a)所示。

锈损轴压试件均在腹板的最薄弱处首先出现局部屈曲变形，然后逐步发展为1～2 个局部屈曲半波，且局部屈曲半波仅限于发生变形的试件上半区域或下半区域。临近极限荷载时，初始屈曲处的变形幅值快速增大，同时两侧翼缘也出现不同程度的局部屈曲变形，翼缘与卷边交线处无明显的畸变变形，各试件破坏形态如图6(b)～图6(f)所示。

2.2 偏压试件

图 6 轴压试件破坏形态Fig.6 Failure patterns of axial compression specimens

偏压试件的变形主要由腹板与翼缘的局部屈曲及卷边的畸变屈曲组成。未锈损的偏压试件首先于偏心荷载作用一侧的翼缘与卷边交线处产生侧向的内凹畸变屈曲变形，同时该处翼缘出现局部屈曲现象，随着荷载的增大，发生变形处的临近腹板出现局部外凸变形，变形横向长度接近翼缘宽度，试件最终呈畸变与局部屈曲耦合的破坏特征。未施加偏心荷载的试件一侧无明显的屈曲变形特征，见图7(a)。

图 7 偏压试件破坏形态Fig.7 Failure patterns of eccentric compression specimens

锈损偏压试件首先在施加荷载一侧最薄弱翼缘与卷边交线处产生畸变屈曲变形，其后变形特征与未锈损试件基本一致，临近极限荷载时，产生畸变屈曲部位处的腹板整体截面均出现局部屈曲而非仅施加荷载一侧腹板出现局部屈曲(ECe40-3、EC-e40-4 采用与未锈蚀试件相对称的加载方式，试件破坏形态与EC-e40-2、EC-e40-5 相比无明显变化)。EC-e40-6 的截面厚度损失率最大，其初始局部屈曲产生于试件上部翼缘与卷边交线处，随着荷载的增大，翼缘-卷边组合体产生局部扭转变形，同时临近腹板沿薄弱处呈斜向局部屈曲，试件破坏形态改变，见图7(b)～图7(f)。

3 试验结果分析

3.1 受压承载力

图8 为轴压试验所得荷载-轴向位移曲线，图9为偏压试验所得荷载-轴向位移曲线。由图8、图9可以看出，试件轴向位移随荷载的递增逐渐增大，偏压试件的极限承载力小于轴压试件。

图 8 轴压试件荷载-轴向位移曲线Fig.8 Load-Axial displacement curve of axial compression specimens

图 9 偏压试件荷载-轴向位移曲线Fig.9 Load-Axial displacement curve of eccentric compression specimens

达到极限承载力后，未锈损轴压试件的刚度急剧下降，其余轴压试件的承载力下降段较平缓，随着锈蚀率的增大，试件极限承载力及曲线上升段斜率均显著减小，表明锈蚀对构件承载力与刚度的影响不容忽视。

3.2 承载力退化

试验所得各试件极限承载力如表4 所示，Pu/Pu0表示锈损后的试件与未锈损试件极限承载力比值， η表示各试件最薄弱区域的厚度损失率(锈蚀率)，图10 为锈损试件轴压、偏压极限承载力随锈蚀率变化的退化曲线。由表4 及图10 可以看出，轴压或偏压荷载下，试件极限承载力均随锈蚀率的增大呈线性下降趋势。其中轴压试件极限承载力退化斜率小于-1，偏压试件极限承载力退化斜率大于-1，表明在相同条件下，锈蚀率对轴压试件极限承载能力的影响要大于其对偏压试件的影响。

表 4 试验结果Table 4 Test results

图 10 承载力退化与锈蚀率的关系Fig.10 Relation between degradation of bearing capacity and corrosion rate

3.3 刚度退化

极限承载力 Pu与对应极限位移 Δu之比为试件刚度K，K/K0表示锈损后的试件与未锈损试件刚度比值，具体值如表4 所示。其中图11 为轴压工况、偏压工况下试件刚度随锈蚀率变化的退化曲线。由表4 及图11 可以看出，轴压与偏压工况下的试件刚度均随锈蚀率的增大呈线性下降，拟合直线斜率均大于-1，表明试件刚度的减小比例小于锈蚀率的增大比例。此外，锈蚀率对轴压试件刚度的影响小于其对偏压试件刚度的影响。

图 11 刚度退化与锈蚀率的关系Fig.11 Relation between degradation of stiffness and corrosion rate

4 有限元与承载力试验结果对比

采用ABAQUS 有限元通用软件分析试件受压屈曲行为及屈曲后的耦合破坏模式，并计算各试件的极限荷载 Pc。选取S4R 通用壳单元模拟试件，在试件形心及偏心距40 mm 处施加荷载并通过点面耦合作用传递至构件。考虑初始几何缺陷的影响，缺陷值及试件厚度按试验前所测实际值确定，各试件材料属性按表2 材性试验结果设置。

试件下端约束三个平动、绕截面弱轴及绕试件纵轴转动的自由度，试件上端释放竖向平动自由度及绕截面强轴转动自由度。冷弯薄壁型钢的截面薄膜残余应力与弯曲半径处的屈服强度提高分别对试件受压承载能力具有相反的作用，可近似认为两者相互抵消[22]，故在分析时未考虑参与应力与屈服强度提高的影响。分析过程中考虑材料与几何双重非线性。有限元分析所得各试件极限荷载及破坏模式与承载力试验结果对比如表5所示，表中L 表示局部屈曲，D 表示畸变屈曲。结果表明，有限元分析结果(图中S 表示Mises等效应力，MPa)与试验结果吻合良好(图12)，典型试件荷载-轴向位移曲线如图13 所示。

表 5 有限元与承载力试验结果比较Table 5 Comparison between FEA and bearing capacity test results

图 12 破坏模式对比Fig.12 Comparison of failure modes

由此可知，ABAQUS 有限元分析能够较好的模拟锈损冷弯薄壁卷边槽钢短柱的极限承载力及屈曲与屈曲后的行为，可以进一步开展相关参数的研究。

图14 为未锈损试件EC-e40-1 及锈损试件ECe40-2 在绕强轴偏心距为0 mm～40 mm 工况下的极限承载力退化趋势，其中Pc0表示试件在偏心距为0 工况下的极限承载力。可以看出，未锈损试件在偏心距较小时承载力退化速率小于锈损试件，当偏心距较大时，承载力退化速率显著增大。锈损试件的截面厚度较小，其极限承载力随偏心距的增大呈线性退化趋势。此外，随着偏心距的增大，试件由腹板局部屈曲转变为以畸变屈曲为主的耦合破坏模式。

图 13 有限元与试验荷载-位移曲线对比Fig.13 Comparison of load-displacement curves between FEA and tests

图 14 极限承载力与强轴偏心距关系曲线Fig.14 Curve of relationship between ultimate bearing capacity and major-axis eccentricity

图15 为构件绕弱轴偏心受压破坏模式及Mises 等效应力云图(以近腹板一侧定义为负偏心，近卷边一侧定义为正偏心)，负偏心受压构件首先由腹板处发生局部屈曲，最终发展为整体弯曲变形破坏；而正偏心受压试件随着的偏心距增大，破坏模式由局部屈曲向畸变屈曲转变，当正偏心距较大时，构件破坏时未出现明显的整体弯曲现象。图16 表明构件极限承载力同样随弱轴偏心距的增大呈下降趋势，且弱轴偏心距对锈蚀构件极限承载力的影响较未锈蚀构件更大。